Операторное уравнение по передаточной функции

Содержание
  1. Операторные передаточные функции
  2. Законы Ома и Кирхгофа в операторной форме
  3. Законы Кирхгофа в операторной форме
  4. Операторные сопротивления и проводимости элементов электрических цепей
  5. Для элемента активного сопротивления
  6. Для элемента индуктивности
  7. Для элемента ёмкости
  8. Операторные сопротивление и проводимость последовательного и параллельного двухполюсников
  9. Операторные сопротивление и проводимость двухполюсника общего вида
  10. Определение операторной передаточной функции. Связь с импульсной и переходной характеристиками
  11. Понятие о нулях и полюсах передаточной функции. Устойчивость передаточной функции
  12. Связь передаточной функции с частотными и временными характеристиками цепи
  13. Контрольная работа: Передаточные функции одноконтурной системы
  14. Операторное уравнение по передаточной функции
  15. 💡 Видео

Видео:7) ТАУ для чайников.Части 3.4 и 3.5 : Передаточная функция. Преобразование Лапласа...Скачать

7) ТАУ  для чайников.Части 3.4 и 3.5 : Передаточная функция. Преобразование Лапласа...

Операторные передаточные функции

Содержание:

Операторные передаточные функции:

Практический смысл и назначение операторного метода в теории электрических цепей состоит, прежде всего, в представлении соотношения вход/выход в операторной форме, что даёт возможность существенно упростить процедуры анализа и синтеза электрических цепей и обеспечить связь между временным и частотным описаниями как колебаний, действующих в цепи, так и самой цепи.

Видео:[ТАУ]Записать передаточную функцию устройства [Составить диф. ур-е для условия передачи напряжения]Скачать

[ТАУ]Записать передаточную функцию устройства [Составить диф. ур-е для условия передачи напряжения]

Законы Ома и Кирхгофа в операторной форме

Покажем, что решение задач анализа колебаний в электрической цепи существенно упрощается при использовании операторного метода.

Законы Кирхгофа в операторной форме

Пусть токи Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции(17.1)

что говорит о формальной справедливости законов Кирхгофа для токов и напряжений, выраженных в операторной форме.

Операторные сопротивления и проводимости элементов электрических цепей

Убедимся в справедливости закона Ома для L-изображений колебаний на зажимах элементов R, L, С при нулевых начальных условиях (см.разд. 15.2) и найдём операторные изображения Операторное уравнение по передаточной функцииактивного сопротивления, реактивного сопротивления индуктивности и ёмкости, а также их операторные проводимости Операторное уравнение по передаточной функции

Для элемента активного сопротивления

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции(17.2)

т. е. операторное активное сопротивление равно самому активному сопротивлению, поэтому операторная активная проводимость равна самой активной проводимости

Операторное уравнение по передаточной функции(17.3)

Для элемента индуктивности

Операторное уравнение по передаточной функции

правило дифференцирования даёт:

Операторное уравнение по передаточной функции

откуда операторные сопротивление и проводимость индуктивности равны:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.4)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.5)

Для элемента ёмкости

Операторное уравнение по передаточной функции

правило интегрирования даёт:

Операторное уравнение по передаточной функции

откуда операторные сопротивление и проводимость ёмкости равны:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.6)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.7)

Заметим, что поскольку оператор р согласно (16.2) определён как комплексное переменное

Операторное уравнение по передаточной функции

операторные сопротивления и проводимости элементов L и С получаются заменой оператора Операторное уравнение по передаточной функциина оператор р при Операторное уравнение по передаточной функции

Операторные сопротивление и проводимость последовательного и параллельного двухполюсников

Закон Ома при нулевых начальных условиях формально верен и для сложных двухполюсников, если в числе их элементов не содержатся независимые источники.

Определение:

Операторным сопротивлением Операторное уравнение по передаточной функции(проводимостью Операторное уравнение по передаточной функции) двухполюсника называется отношение операторного напряжения Операторное уравнение по передаточной функциина входе (операторного входного тока Операторное уравнение по передаточной функциик операторному току на выходе Операторное уравнение по передаточной функции(операторному напряжению Операторное уравнение по передаточной функциина выходе)

Операторное уравнение по передаточной функции

(соответственно Операторное уравнение по передаточной функциипри нулевых начальных условиях.

Найти операторное сопротивление двухполюсника (рис. 17.1), состоящего из последовательно соединённых элементов R, L, С при нулевых начальных условиях.

Решение. Напряжение на зажимах двухполюсника при нулевых начальных условиях равно

Операторное уравнение по передаточной функции

Применим к полученному уравнению преобразование Лапласа:

Операторное уравнение по передаточной функции

откуда следует, что при последовательном соединении элементов их операторные сопротивления складываются, как и для комплексных сопротивлений, но оператор Операторное уравнение по передаточной функциизаменяется на оператор р (см. разд. 17.1.2):

Операторное уравнение по передаточной функции(17.8)

Операторное уравнение по передаточной функции

Пример 17.2.

Найти операторную проводимость двухполюсника (рис. 17.2), состоящего из параллельно соединённых элементов R, L, С при нулевых начальных условиях.

Решение. Для тока Операторное уравнение по передаточной функциисогласно первому закону Кирхгофа имеем:

Операторное уравнение по передаточной функции

поэтому операторную проводимость заданного двухполюсника можно записать сразу:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.9)

В силу дуальности последовательного и параллельного контуров выражение (17.9) можно было записать сразу на основании формулы (17.8).

Операторное уравнение по передаточной функции

Выражения (17.8) и (17.9) представляют собой входные операторные функции цепи. Они дают основания определению операторного сопротивления и проводимости двухполюсника общего вида.

Операторные сопротивление и проводимость двухполюсника общего вида

Закон Ома, при нулевых начальных условиях, формально можно применить и для сколь угодно сложных двухполюсников. Ранее
(см. лекцию 5) было установлено, что если на входе двухполюсника действует источник напряжения с ЭДС Операторное уравнение по передаточной функциито для контура (например, первого), замыкающегося через этот источник, по формуле Крамера можно записать:

Операторное уравнение по передаточной функции

Переходя к L-изображениям напряжений, токов и сопротивлений элементов цепи, получим представление двухполюсника в операторной форме (рис. 17.3), что позволяет записать L-изображение входного тока:

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Теперь согласно определению операторной проводимости и операторного сопротивления имеем:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.10)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.11)

При этом нужно помнить, что определители и алгебраические дополнения в таких формулах записываются с учётом свойств преобразования Лапласа, как это сделано в примерах 17.1 и 17.2.

Определение операторной передаточной функции. Связь с импульсной и переходной характеристиками

В лекции 15 было показано, что во временной области соотношение вход/выход линейной электрической цепи при произвольном воздействии описывается уравнением свёртки:

Операторное уравнение по передаточной функции

где h(t) — импульсная характеристика, x(t) — воздействие, y(t) — реакция. При этом воздействие и реакция могут быть напряжениями или токами.

Для описания соотношения вход/выход в операторной форме воспользуемся L-изображением свёртки

Операторное уравнение по передаточной функции(17.12)

откуда получаем соотношения вход/выход в операторной форме

Операторное уравнение по передаточной функции(17.3)

которое называют передаточной функцией.

Определение:

Передаточной функцией линейной электрической цепи называется отношение L-изображения реакции к L-изображению воздействия при нулевых начальных условиях.

Выражение (17.13) говорит о том, что передаточная функция является L-изображением импульсной характеристики, т. е. импульсная характеристика является обратным преобразованием Лапласа передаточной функции:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.14)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.15)

Именно этими зависимостями объясняется содержащееся в определении передаточной функции требование нулевых начальных условий.

Связь между передаточной функцией и переходной характеристикой можно установить, если воспользоваться интегралом Дюамеля (15.20а) при нулевых начальных условиях:

Операторное уравнение по передаточной функции

когда Операторное уравнение по передаточной функцииЗдесь, как и в случае импульсной характеристики, имеет место свёртка двух функций, которой в операторной области соответствует произведение L-изображений свёртываемых функций:

Операторное уравнение по передаточной функции

Первый сомножитель правой части полученного уравнения содержит L-изображение производной, поэтому окончательно можно записать:

Операторное уравнение по передаточной функции(7.16)

Операторное уравнение по передаточной функции(7.17)

что полностью соответствует связи импульсной и переходной характеристик (15.16).

Обратим внимание на то, что передаточная функция может быть получена из комплексных частотных характеристик формальным образом, а именно — простой заменой в КЧХ Операторное уравнение по передаточной функцииоператора Операторное уравнение по передаточной функциина Операторное уравнение по передаточной функциии наоборот: КЧХ может быть получена из передаточной функции Операторное уравнение по передаточной функциизаменой оператора Операторное уравнение по передаточной функциина Операторное уравнение по передаточной функции

В зависимости от того, какая величина выступает в качестве внешнего воздействия, а какая в качестве реакции цепи, различают четыре вида передаточных функций:

операторное передаточное сопротивление

Операторное уравнение по передаточной функции(17.18)

операторную передаточную проводимость

Операторное уравнение по передаточной функции(17.19)

передаточную функцию по току

Операторное уравнение по передаточной функции(17.20)

передаточную функцию по напряжению

Операторное уравнение по передаточной функции(7.21)

Последние две функции иногда называют операторными передаточными коэффициентами по току и по напряжению соответственно.

По любой из передаточных функций (17.18)—(17.21) нетрудно найти L-изображение реакции цепи, а затем и саму реакцию на заданное воздействие, поскольку любая передаточная функция Н(р) согласно (17.12) может рассматриваться как связующий коэффициент между L-изображения ми воздействия Х(р) и реакции Y(p).

Пример 17.3.

Записать передаточную функцию для последовательного колебательного контура (рис. 17.1, б) относительно напряжения на индуктивности.

Решение. По определению передаточной функции для индуктивности имеем

Операторное уравнение по передаточной функции

Но операторное напряжение на индуктивности равно:

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Подставляя сюда операторное сопротивление (17.8), получаем искомую передаточную функцию:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.22)

Аналогично можно получить и другие передаточные функции для последовательной, параллельной или более сложной цепи. В последнем случае потребуется составить систему уравнений для L-изображений колебаний, воспользовавшись методом контурных токов или узловых напряжений.

Понятие о нулях и полюсах передаточной функции. Устойчивость передаточной функции

Задача 17.1.

Получить и исследовать общее выражение для передаточной функции цепи, когда воздействие представляет собой ЭДС источника напряжения, а реакцией является ток в выделенной ветви анализируемой цепи (рис. 17.4).

Решение. Выберем независимые контуры в цепи так, чтобы через источник напряжения замыкался ток только одного входного контура, а через интересующую нас ветвь — ток только одного выходного контура. На рис. 17.4 они обозначены индексами 1 и 2 соответственно.

Теперь, как и в задаче 5.2, необходимо положить Операторное уравнение по передаточной функцииПри этих условия соответствующие операторные напряжения также оказываются равными нулю. Тогда операторный ток выходного контура получает вид:

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

откуда по определению передаточной функции имеем операторную передаточную проводимость

Операторное уравнение по передаточной функции(17.23)

где Операторное уравнение по передаточной функции— определитель системы операторных уравнений

Операторное уравнение по передаточной функции

a Операторное уравнение по передаточной функции— операторный минор этого определителя относительно первой строки и второго столбца:

Операторное уравнение по передаточной функции

Заметим, что определитель и все его миноры представляют собой рациональные функции оператора р, все коэффициенты которых являются вещественными числами. Это объясняется тем, что при раскрытии определителя над его элементами совершаются только операции умножения, сложения и вычитания, а сами элементы представляют собой простейшие рациональные

функции с вещественными коэффициентами вида (17.11). Раскрывая определитель Операторное уравнение по передаточной функциии минор Операторное уравнение по передаточной функциии подставляя результаты в (17.23), получаем:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.24)

Полиномы числителя Операторное уравнение по передаточной функциии знаменателя Операторное уравнение по передаточной функциикак и всякий полином, согласно основной теореме алгебры, могут быть представлены через их нули Операторное уравнение по передаточной функциии Операторное уравнение по передаточной функциисоответственно следующим образом:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.25)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.26)

Отсюда передаточная функция (17.24) приобретает вид:

Операторное уравнение по передаточной функции(П27)

Операторное уравнение по передаточной функции—постоянный множитель;

Операторное уравнение по передаточной функции— являются нулями числителя (корнями уравнения Операторное уравнение по передаточной функции) и называются нулями передаточной функции;

Операторное уравнение по передаточной функции— называется характеристическим полиномом;

Операторное уравнение по передаточной функции— являются нулями характеристического полинома (корнями уравнения Операторное уравнение по передаточной функции) и называются полюсами передаточной функции.

Названия корней уравнения Операторное уравнение по передаточной функциинулями и корней уравнения Операторное уравнение по передаточной функцииполюсами связаны с тем, что при Операторное уравнение по передаточной функциипередаточная функция обращается в нуль, а при Операторное уравнение по передаточной функциив бесконечность. Поскольку коэффициенты передаточной функции вещественны, то нули и полюсы могут быть или вещественными или составлять комплексно-сопряжённые пары: Операторное уравнение по передаточной функции

Нули и полюсы наглядно отображаются на комплексной p -плоскости (рис. 17.5) значками ( ° ) и ( * ) соответственно.

На рис. 17.5 показаны:

  • вещественный положительный нуль Операторное уравнение по передаточной функциии отрицательный полюс Операторное уравнение по передаточной функцииу которых частота Операторное уравнение по передаточной функции
  • пара комплексно-сопряжённых нулей Операторное уравнение по передаточной функциии Операторное уравнение по передаточной функцииОператорное уравнение по передаточной функциии пара комплексно-сопряжённых полюсов Операторное уравнение по передаточной функции

и Операторное уравнение по передаточной функцииу которых вещественные части отрицательны, а знаки соответствующих частот Операторное уравнение по передаточной функциипротивоположны.

Отображение нулей и полюсов на p-плоскости называют картой нулей и полюсов. Различают левую и правую р-полуплоскости.

Карта нулей и полюсов позволяет оценить ряд свойств электрической цепи и, в частности, определить её устойчивость с точки зрения устойчивости передаточной функции.

Операторное уравнение по передаточной функции

Утверждение:

цепь является строго устойчивой тогда и только тогда, когда её передаточная функция имеет, полюсы только в левой р-полуплоскости, исключая мнимую ось.

Доказательство. Напомним, что цепь называется строго устойчивой, если при нулевых начальных условиях ограниченное по величине воздействие

Операторное уравнение по передаточной функции

вызывает ограниченную по величине реакцию

Операторное уравнение по передаточной функции

Но реакцию y(t) при нулевых условиях можно найти с помощью уравнения свёртки

Операторное уравнение по передаточной функции

Отсюда при заданных ограничениях имеем соотношение

Операторное уравнение по передаточной функции

из которого следует, что для получения равномерно ограниченной для всех t реакции, т. е. для обеспечения строгой устойчивости цепи должно выполняться условие абсолютной сходимости интеграла от импульсной характеристики:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.28)

Найдём расположение полюсов, которое соответствует полученному условию. Для этого представим импульсную характеристику h(t) цепи как обратное L-изображение передаточной функции (17.15) путём разложения последней на сумму простых дробей (16.28):

Операторное уравнение по передаточной функции(17.29)

Подставим в интеграл (17.28) правую сумму (17.29)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.30)

и проведём ряд несложных преобразований.

Поскольку модуль суммы не превосходит суммы модулей, справедливо следующее неравенство:
Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

В правой части полученного неравенства поменяем местами знаки суммирования и интегрирования и оставим только знак равенства:

Операторное уравнение по передаточной функции

Рассмотрим интеграл в правой части равенства, содержащий модуль экспоненты, при Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функцииОператорное уравнение по передаточной функции

во-вторых, первая экспонента под интегралом всегда неотрицательна, поэтому знак модуля можно опустить:

Операторное уравнение по передаточной функции

Остаётся исследовать сходимость интеграла при положительном и отрицательном показателе Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Сходимость интеграла при Операторное уравнение по передаточной функцииозначает, что для устойчивости передаточной функции (а потому и цепи), все полюсы Операторное уравнение по передаточной функциидолжны иметь отрицательные действительные части Операторное уравнение по передаточной функциит. е. лежать в левой р-полуплоскости, что и требовалось доказать.

Связь передаточной функции с частотными и временными характеристиками цепи

Как было показано в лекции 10, для определения частотных характеристик АЧХ Операторное уравнение по передаточной функциии ФЧХ Операторное уравнение по передаточной функциицепи необходимо знать комплексную частотную характеристику Операторное уравнение по передаточной функцииПолучить КЧХ из передаточной функции несложно: необходимо лишь в (17.10) заменить оператор Операторное уравнение по передаточной функциина Операторное уравнение по передаточной функциипоскольку частотные характеристики являются непрерывными функциями только частоты:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.31)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.32)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.33)

Эквивалентное выражение для КЧХ получается из (17.31), если воспользоваться комплексными функциями числителя и знаменателя:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.34)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.35)

Операторное уравнение по передаточной функции(17.36)

Вследствие того, что функция

Операторное уравнение по передаточной функции

является иррациональной, обычно при анализе и синтезе цепей используют квадрат АЧХ:

Операторное уравнение по передаточной функции(17.37)

Перечислим основные свойства передаточных функций и квадрата АЧХ пассивных цепей.

  1. Передаточная функция является L-изображением импульсной характеристики.
  2. Передаточная функция является дробно-рациональной функцией с вещественными коэффициентами.
  3. Полюсы устойчивой передаточной функции лежат в левой р-полуплоскости.
  4. Степени полиномов числителей передаточной функции и квадрата АЧХ не превышают степеней полиномов знаменателей; приневыполнении этого свойства АЧХ на бесконечно больших частотах Операторное уравнение по передаточной функциидолжна принимать бесконечно большое значение, поскольку числитель в этом случае растёт быстрее знаменателя.
  5. Частотные характеристики цепи вычисляются по передаточной функции при подстановке Операторное уравнение по передаточной функции
  6. Квадрат АЧХ является чётной рациональной функцией переменной с вещественными коэффициентами: Операторное уравнение по передаточной функции
  7. По передаточной функции можно изобразить схему цепи

Обобщённая схема связи передаточной функции с характеристиками и свойствами цепи представлена на рис. 17.6.

Операторное уравнение по передаточной функции

Рекомендую подробно изучить предметы:
  1. Электротехника
  2. Основы теории цепей
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Свободные колебания в пассивных электрических цепях
  • Цепи с распределёнными параметрами
  • Волновые параметры длинной линии
  • Колебания в линиях без потерь
  • Комплексные функции электрических цепей
  • Гармонические колебания в колебательном контуре
  • Частотные характеристики линейных электрических цепей
  • Частотные методы анализа и расчёта электрических цепей

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Видео:proТАУ: 1. Передаточная функцияСкачать

proТАУ: 1. Передаточная функция

Контрольная работа: Передаточные функции одноконтурной системы

Практическая работа № 1

1. По заданным дифференциальным уравнениям определить операторные уравнения при нулевых начальных условиях, передаточные функции, структурные схемы звеньев, характеристические уравнения и их корни. Показать распределение корней на комплексной плоскости.

Оценить устойчивость каждого из звеньев.

а) Операторное уравнение по передаточной функции; б)Операторное уравнение по передаточной функции.

2. По заданной передаточной функции записать дифференциальное уравнение:

Операторное уравнение по передаточной функции.

1. а). Дифференциальное уравнение можно записать в виде:

Операторное уравнение по передаточной функции.

Обозначим Y(s) и F(s) как изображения сигналов соответственно y и f , тогда операторное уравнение (при нулевых начальных условиях) примет вид:

1,25s3Y(s) – 4s2Y(s) + 5sY(s) = 3F(s) – sF(s).

Данное уравнение можно преобразовать, вынеся Y(s) и F(s) за скобки:

Y(s). (1,25s3 – 4s2 + 5s) = F(s). (3 – s).

Операторное уравнение по передаточной функции.

Очевидно, что входной сигнал x отсутствует, и выходной сигнал у определяется только внешним воздействием f (система, действующая по возмущению): Операторное уравнение по передаточной функции, то получается уравнение Y(s) = WF(s).F(s). Структурная схема объекта приведена на рис. 1.

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Передаточная функция имеет знаменатель, называемый характеристическим выражением:

A(s) =Операторное уравнение по передаточной функции.

Если приравнять данное выражение к нулю, то образуется характеристическое уравнение Операторное уравнение по передаточной функции, корни которого:

Операторное уравнение по передаточной функции, Операторное уравнение по передаточной функциии Операторное уравнение по передаточной функции.

Распределение корней на комплексной плоскости показано на рис. 2. По рисунку видно, что корни лежат в правой полуплоскости, следовательно, объект неустойчив.

б) Дифференциальное уравнение можно записать в виде:

Операторное уравнение по передаточной функции.

Обозначим Y(s), X(s) и F(s) как изображения сигналов соответственно y , x и f , тогда операторное уравнение (при нулевых начальных условиях) примет вид:

2s2Y(s) + 4sY(s) + 10Y(s) = 3X(s) + 4sF(s).

Данное уравнение можно преобразовать, вынеся Y(s) и X(s) за скобки:

Y(s). (5s2 + 4s + 10) = 3X(s) + 4sF(s).

Операторное уравнение по передаточной функции.

Если обозначить передаточные функции объекта как

Операторное уравнение по передаточной функциии Операторное уравнение по передаточной функции,

то получается уравнение Y(s) = Wx(s).X(s) + WF(s).F(s). Структурная схема объекта приведена на рис. 3.

Операторное уравнение по передаточной функции

Характеристическая функция имеет вид:

Операторное уравнение по передаточной функции,

а характеристическое уравнение:

Операторное уравнение по передаточной функции.

Корни этого уравнения равны:

Операторное уравнение по передаточной функциии Операторное уравнение по передаточной функции.

Распределение корней на комплексной плоскости показано на рис. 4:
Операторное уравнение по передаточной функции

Все корни характеристического уравнения лежат в левой полуплоскости, очевидно, что объект устойчив.

2. Дана передаточная функция вида:

Операторное уравнение по передаточной функции

Зная, что по определению, Операторное уравнение по передаточной функции, получим:

Операторное уравнение по передаточной функции, тогда:

Операторное уравнение по передаточной функции.

Операторное уравнение по передаточной функции

Применяя к полученному выражению обратное преобразование Лапласа, находим искомое дифференциальное уравнение:

Операторное уравнение по передаточной функции.

Практическая работа № 2

Операторное уравнение по передаточной функции

Дана одноконтурная АСР, для которой определена передаточная функция регулятора (Р) с настройками и дифференциальное уравнение объекта управления (ОУ). Требуется определить:

— передаточную функцию разомкнутой системы W∞(s),

— характеристическое выражение замкнутой системы (ХВЗС),

— передаточные функции замкнутой системы Фз(s) – по заданию, Фв(s) – по возмущению, ФЕ(s) – по ошибке,

— коэффициенты усиления АСР,

Р — ПИ-регулятор с ПФ вида Операторное уравнение по передаточной функции;

дифференциальное уравнение объекта управления:

Операторное уравнение по передаточной функции.

Определим передаточную функцию объекта:

W об( s ) Операторное уравнение по передаточной функции .

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

Операторное уравнение по передаточной функции

Характеристическое выражение замкнутой системы:

Операторное уравнение по передаточной функции;

Передаточные функции замкнутой системы:

Операторное уравнение по передаточной функции— по заданию;

Операторное уравнение по передаточной функции— по ошибке;

Операторное уравнение по передаточной функции— по возмущению.

По передаточным функциям определим коэффициенты усиления путем подстановки в них s = 0:

К3 = Ф3(0) = 1 – по заданию;

КЕ = ФЕ(0) = 0 – по ошибке;

Кв = Фв(0) = 0 – по возмущению.

Определим устойчивость АСР по критерию Гурвица.

Так как коэффициенты ХВЗС а3 = 4, а2 = 6, а1 = 18, а0 = 4 (степень полинома n = 3), то матрица Гурвица имеет вид:

Операторное уравнение по передаточной функции

Диагональные миноры матрицы равны соответственно:

Операторное уравнение по передаточной функции

Поскольку все определители положительны, то АСР является устойчивой.

Практическая работа № 3

По табличным данным построить переходную кривую объекта, определить параметры передаточной функции объекта, рассчитать настройки ПИД-регулятора, обеспечивающие 20%-е перерегулирование.

DXвх = 5,5 кПа; DY = 0,149 %; tзап = 40 сек

Видео:ТАУ│Передаточная функция устройстваСкачать

ТАУ│Передаточная функция устройства

Операторное уравнение по передаточной функции

Понятие линейного динамического звена

САУ удобно представлять для анализа и при синтезе в виде взаимосвязанной совокупности отдельных элементов – динамических звеньев.

Под динамическим звеном понимают в общем случае абстрактное устройство, имеющее вход и выход, и для которого задано уравнение, связывающее сигналы на входе и выходе, как это показано на рис. 1.

Операторное уравнение по передаточной функции

Подробное изучение свойств реальных объектов управления и систем автоматического управления приводит к описанию динамических звеньев в виде нелинейных дифференциальных уравнений. Но во многих случаях их можно линеаризовать, то есть заменить нелинейные уравнения линейными, приближенно описывающими процессы в системах. Тем самым осуществляется декомпозиция задач анализа и синтеза систем, то есть первоначально используют линейное представление, а затем осуществляют учет вносимых нелинейностями особенностей. Такому подходу способствует то, что, в большинстве случаев, нормально функционирующая система работает в режиме малых отклонений, при которых нелинейности не проявляются. В дальнейшем мы будем рассматривать преимущественно аппарат изучения линейных систем, а особенности систем других классов: нелинейных, импульсных, цифровых и стохастических, будут излагаться позднее в других учебных дисциплинах.

Если уравнение, связывающее сигналы Операторное уравнение по передаточной функциии Операторное уравнение по передаточной функции, линейно, то говорят о линейном динамическом звене

Уравнение линейного динамического звена имеет следующий общий вид:

Операторное уравнение по передаточной функции

где Операторное уравнение по передаточной функции— постоянные коэффициенты, Операторное уравнение по передаточной функции.

Использовать такое описание динамического звена в задачах анализа и синтеза систем и объектов управления не рационально, поэтому существуют и иные формы описания и представления динамических звеньев и систем в целом.

Подвергнем уравнение (1) преобразованию Лапласа, считая начальные условия нулевыми и заменяя оригиналы сигналов их изображениями по Лапласу

Операторное уравнение по передаточной функции.

Используя теоремы преобразования Лапласа линейности и дифференцирования, получим операторное уравнение, связывающие изображения входного и выходного сигналов

Операторное уравнение по передаточной функции

Преобразуем уравнение (2) к следующему виду

Операторное уравнение по передаточной функции

Получим из (3) отношение изображений выходного и входного сигналов

Операторное уравнение по передаточной функции

Отношение (4) не зависит от изображений сигналов, определяется только параметрами самого динамического звена (Операторное уравнение по передаточной функции), имеет вид дробно-рациональной функции.

Отношение изображений выходного и входного сигналов называют передаточной функцией динамического звена

Операторное уравнение по передаточной функции.

Операторное уравнение по передаточной функции,

называют характеристическим уравнением динамического звена, так как знаменатель передаточной функции – это характеристический полином дифференциального уравнения, описывающего динамическое звено.

Определим передаточную функцию динамического звена по его принципиальной электрической схеме

Операторное уравнение по передаточной функции

По второму закону Кирхгоффа запишем уравнения описывающие схему

Операторное уравнение по передаточной функции

С учетом того, что

Операторное уравнение по передаточной функции,

Операторное уравнение по передаточной функции

Получим операторные уравнения

Операторное уравнение по передаточной функции

Из второго уравнения выразим значение изображения тока

Операторное уравнение по передаточной функции

Подставим полученное выражение в первое уравнение системы

Операторное уравнение по передаточной функции.

В итоге получаем искомую передаточную функцию

Операторное уравнение по передаточной функции.

Графически передаточные функции динамического звена представляют в следующем виде:

Операторное уравнение по передаточной функции

Если известно изображение входного сигнала и передаточная функция динамического звена, всегда можно найти изображение выходного сигнала при нулевых начальных условиях

Операторное уравнение по передаточной функции.(5)

В общем случае САУ состоит из множества динамических звеньев, сигналы с выходов звеньев могут суммироваться или вычитаться, суммироваться с внешними для САУ сигналами. Суммирование и вычитание изображений сигналов могут быть представлено графически с помощью суммирующих звеньев:

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Показанная выше неоднозначность графического представления вычитания изображений на суммирующем элементе связана с различием в стандартах разных стран.

Используя графическое представление передаточных функций звеньев и суммирующие звенья, можно в графической форме представить операторные уравнения, описывающие САУ. Такое графическое представление операторных уравнений в ТАУ называют структурной схемой.

По математической модели объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений определить структурную схему объекта.

Операторное уравнение по передаточной функции

Получим систему операторных уравнений, подвергнув исходную систему дифференциальных уравнений преобразованию Лапласа и заменив оригиналы изображениями,

Операторное уравнение по передаточной функции

Из первого уравнения системы операторных уравнений, которое описывает динамическое звено объекта управления, после преобразований получим

Операторное уравнение по передаточной функции.

Тогда передаточная функция этого звена имеет вид

Операторное уравнение по передаточной функции,

а выражение Операторное уравнение по передаточной функцииописывает суммирующее звено Операторное уравнение по передаточной функции. Таким образом, получены два фрагмента структурной схемы

Операторное уравнение по передаточной функции

Из второго уравнения системы операторных уравнений, которое описывает динамическое звено объекта управления, после преобразований получим, вводя обозначение,

Операторное уравнение по передаточной функции.

Тогда передаточная функция этого звена имеет вид

Операторное уравнение по передаточной функции,

а выражение Операторное уравнение по передаточной функцииописывает суммирующее звено Операторное уравнение по передаточной функции. Таким образом, получены еще два фрагмента структурной схемы

Операторное уравнение по передаточной функции

Соединим все фрагменты структурной схемы объекта управления, объединяя одноименные сигналы, либо разветвляя их с помощью точек ветвления , показанных на схеме. В результате получим

Операторное уравнение по передаточной функции

Временные характеристики динамического звена

Временной или импульсной характеристикой динамического звена называют реакцию звена на Операторное уравнение по передаточной функции, обозначая ее как Операторное уравнение по передаточной функции. При этом схема эксперимента имеет вид –

Операторное уравнение по передаточной функции

Выясним, что представляет собой временная характеристика, то есть почему ее называют характеристикой динамического звена?

Для этого рассмотрим динамическое звено с передаточной функцией Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

В этом случае, в соответствии с (5), имеем

Операторное уравнение по передаточной функции.

Операторное уравнение по передаточной функции

Получаем, что передаточная функция звена – это изображение по Лапласу импульсной характеристики динамического звена. В свою очередь, импульсная характеристика может быть определена по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции,

при использовании разложения в форму Хэвисайта и обратное преобразование Лапласа.

Знание импульсной характеристики позволяет определить реакцию динамического звена на сигнал любой формы.

Для динамического звена с передаточной функцией Операторное уравнение по передаточной функциипреобразуем (5), используя теорему об умножении изображений преобразования Лапласа,

Операторное уравнение по передаточной функции,

а если легко получить Операторное уравнение по передаточной функции, тогда

Операторное уравнение по передаточной функции.

Переходной характеристикой или переходной функцией динамического звена называют реакцию динамического звена на Операторное уравнение по передаточной функции, обозначая ее как Операторное уравнение по передаточной функции. При этом схема эксперимента имеет вид –

Операторное уравнение по передаточной функции

Для анализа переходной характеристики рассмотрим динамическое звено с передаточной функцией Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

В этом случае, в соответствии с (5), имеем

Операторное уравнение по передаточной функции.

По теореме об интегрировании оригинала имеем

Операторное уравнение по передаточной функции

Переходная функция является интегралом по времени от импульсной характеристике и наоборот

Операторное уравнение по передаточной функции.

Переходная характеристика динамического звена может быть определена по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции

Контрольные вопросы и задачи

Что такое линейное динамическое звено?

Как определить передаточную функцию линейного динамического звена?

Перечислите основные элементы структурных схем систем управления.

Как определить по передаточной функции динамического звена его временные характеристики: импульсную и переходную?

Как по переходной характеристике определить импульсную характеристику динамического звена?

Определите передаточную функцию динамического звена по его принципиальной электрической схеме

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции.

Определите передаточную функцию динамического звена по его принципиальной электрической схеме

Операторное уравнение по передаточной функции

Операторное уравнение по передаточной функции.

По математической модели объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений определить структурную схему объекта.

💡 Видео

23) Построение Л.А.Ч.Х. и Л.Ф.Ч.Х. системы по её передаточной функцииСкачать

23) Построение Л.А.Ч.Х. и Л.Ф.Ч.Х. системы по её передаточной функции

Видеометодичка. Практикум по нахождению передаточных функций по дифференциальным уравнениямСкачать

Видеометодичка. Практикум по нахождению передаточных функций по дифференциальным уравнениям

Преобразование Лапласа - bezbotvyСкачать

Преобразование Лапласа - bezbotvy

ТАУ. Matlab/Simulink - моделирование передаточной функции, снятие характеристикСкачать

ТАУ. Matlab/Simulink - моделирование передаточной функции, снятие характеристик

10) ТАУ для чайников Части 4.1. и 4.2. Типовые динамические звенья. Усилитель. Апериодическое звено.Скачать

10) ТАУ для чайников Части 4.1. и 4.2. Типовые динамические звенья. Усилитель. Апериодическое звено.

Типовые динамические звенья | Вечер с теорией управления, вебинар 3Скачать

Типовые динамические звенья | Вечер с теорией управления, вебинар 3

Теория автоматического управления. Лекция 6. Структурные схемы САУСкачать

Теория автоматического управления. Лекция 6. Структурные схемы САУ

Передаточные функцииСкачать

Передаточные  функции

1.3 Составление передаточной функцииСкачать

1.3 Составление передаточной функции

Как в MATLAB Simulink моделировать уравнения (Структурная схема САУ)Скачать

Как в MATLAB Simulink моделировать уравнения (Структурная схема САУ)

Частотные характеристики | Утро с теорией управления, лекция 5Скачать

Частотные характеристики | Утро с теорией управления, лекция 5

Метод Лапласа решения ДУСкачать

Метод Лапласа решения ДУ

Построить структурную схему САР (САУ) по передаточной функцииСкачать

Построить структурную схему САР (САУ) по передаточной функции

Преобразование структурных схем систем управленияСкачать

Преобразование структурных схем систем управления

Передаточная функция цепи. Определение.Скачать

Передаточная функция цепи. Определение.

9) ТАУ для чайников. Части 3.7 и 3.8: Частотные характеристики.Скачать

9) ТАУ  для чайников. Части 3.7 и 3.8: Частотные характеристики.
Поделиться или сохранить к себе:
Название: Передаточные функции одноконтурной системы
Раздел: Рефераты по математике
Тип: контрольная работа Добавлен 21:52:15 24 декабря 2010 Похожие работы
Просмотров: 508 Комментариев: 14 Оценило: 3 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно Скачать